路基沉陷段采空区稳定性评估分析

张文成 杨柯

中交第一公路勘察设计研究院有限公司 陕西 西安 710075

1 采空区概况

陕西省榆林至神木高速公路属省级高速公路榆商线，2010年12月8日，榆神高速公路建成通车。其中K668+650-K668+960段路基于2019年9月17日发生严重沉陷，最大沉降量约33cm，路面下沉开裂、局部位置路面隆起、涵洞洞身开裂，严重威胁榆神高速公路行车安全[1]。

发生路基沉陷的榆神高速公路路段位于神木县枣稍沟煤矿采空区之上。枣稍沟煤矿为一村办煤矿，已于2005年12月关闭。该矿开采3-1号煤层，平均开采厚度3.2m，路基沉陷段埋深约76.2～78.8m。3-1号煤层直接顶板岩性以泥岩为主，有少量粉砂岩，底板岩性以粉砂岩为主，厚约24～48m，煤层稳定，结构简单。该矿煤层回采后，顶板采取全陷冒落法管理。

2 评估工作范围

在公路路线纵向上为榆神高速公路K668+650-K668+960采空区路基沉陷段，长约310m，在横向上评估宽度为公路路基中心线向两侧水平横向各外延50m。评估面积为31000m2，勘探深度为采空区底板以下不小于3m[2]。

3 工作方法与手段

通过收集前期枣稍沟煤矿采空区勘察、设计、变形监测以及工后检测等资料，获得评估区已有的各种自然地理、地层岩性、工程地质、水文地质、采矿情况等资料，根据现场地面调查结合变形监测成果来分析判断采空区的变形范围，通过钻探揭示采空区目前的三带特征和岩体破碎情况，进行采空区覆岩稳定性分析。

4 采空区稳定性评价

4.1 采空区地表变形破坏形式

枣稍沟煤矿采用了房柱式开采方式，采空区范围及影响范围内存在大量地面裂缝和涵洞洞身裂缝。房柱式开采形成的采空区，地表变形破坏形式主要为抽冒型和切冒型破坏，分述如下：

4.1.1 抽冒型破坏。该类型破坏主要表现为煤柱相对稳定，煤房的顶板岩层发生破坏而冒落，冒落堆积体充填采空区。这种破坏形式在未发生破坏的煤柱间形成平衡拱结构，由于局部应力集中或构造作用，顶板部分垮塌，形成小范围冲击波，裂隙带未与地表贯通，采空区能够重新保持稳定。

4.1.2 切冒型破坏。该类型破坏主要表现为煤柱失稳，同时伴随顶板岩层破坏，最终地表产生大面积瞬时切冒型塌陷。在煤柱垮塌的过程中，应力不断向周边煤柱转移，顶板岩层逐渐向上破坏并发育至地表，形成陷落，此时采空区塌陷已脱离煤柱支撑为开采特征的基本模式和范畴，成为地层运动的地质灾难。

调查发现，评估区路基呈对称的弧形下沉盆地状，地面有大量裂缝，结合钻探验证的采空区冒落情况，综合判定该区域采空区目前破坏以切冒性破坏为主，同时部分煤柱也在上覆地层压力作用下产生失稳破坏，致使裂缝发育至地表。

4.2 采空区稳定性定性判断

根据钻孔揭露评估区为软弱覆岩结构，且埋深较浅，大致位于74.5～75m，采厚较大（平均采厚3.2m），其采深采厚比仅为H/M=23.4＜40。国内外采矿经验认为，按停采采深采厚比确定采空区稳定性等级评价标准，采深与采厚比小于40，采空区处于不稳定状态。故依此标准判断采空区的覆岩容易产生塌陷冒落，根据勘察资料，在2008年该采空区的地表已经出现了塌陷变形，加上采空区地下水比较发育，该采空区上边分布有第四系孔隙弱～中等富水含水层、碎屑岩类裂隙弱富水含水层，在地下水的作用下泥岩软化开裂易碎，加速了采空区的变形。

根据2019年6月至2019年9月22日对采空区路段进行的变形监测资料显示，该路基沉陷段形成了中间下沉量最大（达273.36mm）紧挨K668+806涵洞，两侧几乎对称的下沉盆地。

根据钻探成果，采空区部位无掉钻现象，岩芯较破碎，岩芯采取率较低，大约30%～40%，采空区高度从1.7m～3m，平均高度2.4m，仅有1个钻孔浆液最大漏失量为26m3，其余位于钻孔中的钻孔虽有浆液漏失，仅有10～12m3，数量较小，且所有钻孔孔口没有吸风现象[3]。

综上所述，初步判断采空区已基本塌陷，但还存在采空区上覆基岩冒落之后形成架空结构的空隙。

4.3 剩余地表移动变形预测

根据前述成果，沿线的下伏采空区为房柱式结构，顶板采用全部垮落法管理，房柱式开采形成的采空区其稳定性与采空区矿层的开采条件、采深采厚比、覆岩性质等他因素密切相关，采空区的地表变形长表现为突发性，这类采空区一般难以进行地表沉陷的变形预测，对于规范中推荐的地表变形预测，可借鉴参考。

根据《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/TD31-03-2011）推荐的经验计算公式和有限单元法对采空区的地表变形进行预测。

4.3.1 预测模型、参数选取。

4.3.1.1 预测模型。国内外地表移动研究表明，地表残余移动分布规律符合概率积分模型，可以近似采用概率积分法进行计算。

4.3.1.2 预测参数。根据国内外采空区残余移动变形的经验，结合本区的地质采矿条件进行选取。

4.3.1.3 预测计算简化公式。

最大沉降量： Wmax=ηm

最大剩余沉降量： W=αWmax

最大剩余倾斜量： i=W/r

最大剩余竖曲率： K=±1.52W/r2最大剩余水平位移： U=bW

最大剩余水平变形： ε=±1.52U/r

式中：η—为下沉系数，与矿层倾角、开采方法和顶板管理方式有关，单层开采时全部垮落法一般为0.6～0.8；多层重复开采时最大可达0.95；m—采厚；r—地表主要影响半径，其值与埋深（H）呈正比，与煤层影响角（β=70°）的正切值成正比。即：r=H/tgβ；b—水平移动系数，取值范围在0.25～0.35之间；α—综合剩余沉降系数，根据地面调查、采矿调查、钻探结果等因素综合确定。

4.3.2 采空区残余移动变形计算。3-1号煤的平均采厚为3.2m，采深74.5～75m，房柱式开采，顶板全陷式垮落法管理，煤层采取率约≥60%。根据钻探成果，采空区目前几乎全部塌陷。根据取芯情况，预计最大剩余沉降量可达总沉降量的10%（即α≤0.10）。由于属单层开采，且上覆岩层为软弱岩，下沉系数取η=0.80，tgβ=2.75，r=27.3，水平移动系数b=0.35，估算的剩余变形量结果为：

最大沉降量： Wmax=2560.00mm

最大剩余沉降量： W=256.00mm

最大剩余倾斜量： i=9.37mm/m

最大剩余竖曲率： K=±0.52mm／m2

最大剩余水平位移： U=89.6mm

最大剩余水平变形： ε=±4.99mm/m

4.4 采空区稳定性预测分析评价

不同等级的公路与不同类型的公路工程对地基的稳定性要求不同，当公路采空区剩余的地表变形量小于或等于公路工程的容许变形值时，对公路工程不会造成影响，当公路采空区剩余的地表变形量大于公路工程的容许变形值时，对公路工程产生较大影响。

根据现行的部颁《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）表7.6.4-2条和《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》（JTJ 017-96）第5.1.2条的规定，以及根据交通部《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG D31-03-2011)表4-3采空区公路工程地质容许变形值规定。综合考虑煤矿采空区以及第四系不良工程地质可能产生的地面下沉对公路运营质量和寿命的影响，对路基允许变形值规定如下：桥台与路堤毗邻处≤0.1m、涵洞或箱型通道处≤0.2m、一般路段≤0.3m、最大剩余倾斜量 i≤±4.0mm/m、最大剩余水平变形ε≤±3.0mm/m、最大剩余竖曲率 K≤±0.3mm／m2。

评估区采空区最大剩余沉降量为W=256.00mm、最大剩余倾斜量i=9.37mm/m、最大剩余竖曲率K=±0.52mm／m2、最大剩余水平变形ε=±4.99mm/m，各项指标中最大剩余沉降量W满足一般路基的要求，其余指标稍大于高速公路路面的要求，但剩余沉降量稍大于涵洞或箱型通道处≤0.2m的要求，综上所述，该采空区对于一般路基目前处于稳定状态，对于涵洞或箱型通道处于基本稳定状态[4]。

5 采空区对路基的危害及治理方案建议

5.1 采空区对公路工程的危害性评价

煤层开采之后形成的采空区因煤柱留设不合理、煤柱失效、顶板强度下降等原因，在神木县乃至榆林多数煤矿均造成大范围的地面塌陷。调查数据显示，截至2007年底，榆林市因煤炭开采形成的采空区面积达339.57Km2，且以每年10Km2以上的速度增加；已塌陷面积64.25Km2，造成大量的地表设施损毁。据不完全统计，因煤矿采空区塌陷造成受灾户已达2805户9585人。地表塌陷直接损毁和影响房屋4500多间，损毁水浇地、旱地、林草地各数万亩。此外，还有道路、工厂、水坝、输电线路等设施也被损坏。

由于采空区覆岩厚度大，塌陷后碎胀的岩石压实挤密仍然需要一个较长的过程，使采空区的沉陷将在一个较长时期内仍会继续进行，对高速公路的运营产生一定的危害。

采空区冒落塌陷对高速公路路基造成破坏表现在以下几个方面：

5.1.1 造成公路路基下沉。

5.1.2 路基在下沉同时，将伴有水平方向的位移。垂直于路线方向的横向移动将改变路基原有的方向；沿路基纵向的水平变形，使路基受到拉伸和压缩。由于这两种移动的不均匀性，会使高速公路坡度发生变化、竖曲线形态的变化和路线方向的变化等。

5.1.3 路基随地表的下沉而下沉。因地表变形的不连续与无规律下沉，使得路面的原有坡度出现无规律的变化。如果地表倾斜方向和路线坡度方向一致，路线坡度将增大；反之路线坡度将减小或形成反坡。路线坡度的增减，将使移动盆地内各段路线的运行阻力有所增减，长久运行，路面会产生下沉[5]。

5.2 治理方案建议

采空区治理方案主要依据地表的变形特征、地质与采矿特征等因素确定，该项目下伏采空区目前已经基本完全塌陷，无剩余空洞，不会再发生冒落这样的突然地面产生较大下沉的状况，但因为还存在着采空区上覆基岩冒落之后形成架空结构的空隙，在以后的时间里岩土体还存在着一定的压实挤密的过程，从而产生一定的下沉量，但这个过程是长期缓慢的，目前还无法准确预测。由于评估项目下伏采空区的剩余变形量中的最大剩余沉降量W=256.00mm满足一般路基的要求，其余指标稍大于高速公路路面的要求，但剩余沉降量稍大于涵洞或箱型通道处≤0.2m的要求，综上所述，该采空区对于一般路基目前处于稳定状态，对于涵洞或箱型通道处于基本稳定状态。所以，对于治理方法，建议对一般路基可采用维修路基路面的方案，并持续进行地表沉降观测，对于对变形比较敏感的构造物（涵洞）部位采用注浆方法进行处治。

维修方案是指在采空区路段可考虑先修建高速公路，然后在运营期间，对该路段进行路基路面修复，但该方案仅适用于剩余变形量较小，不会产生突然严重冒落的高速公路下伏采空区。

注浆法治理方案是在地面上打孔，通过注浆孔将水泥粉煤灰浆注入采空区和上覆岩层的裂隙中，在阻止上覆岩层进一步的塌陷冒落的同时，消除上覆基岩因为挤密固结而产生的沉陷变形。